SplintBy3D: dos subprodutos do café às talas ativas impressas em 3D

Abstract

As talas são dispositivos ortopédicos, geralmente constituídas por metais na forma de tecidos elásticos, silicones, revestimentos, componentes cinemáticos ou cinéticos, e plásticos, sendo estes últimos os mais utilizados devido ao seu baixo peso, custo e bom desempenho mecânico. Porém a não biodegradabilidade dos plásticos utilizados na produção de talas contribui para o aumento da pegada ecológica deste setor. Como alternativa tem sido explorado o uso de bioplásticos biodegradáveis e a produção de talas através de tecnologias de manufatura aditiva, que não só possibilita minimizar os resíduos de produção, mas também personalizar a geometria da tala à fisiologia do paciente e à fratura em recuperação. Numa estratégia de economia circular, na presente dissertação foi estudada a viabilidade do uso de amido recuperado das lamas derivadas do processamento de batata, borras de café (SCG) e pele de prata do grão de café (CS) no desenvolvimento de talas bioplásticas ativas, ou seja, talas produzidas através de matérias-primas bioativas, biodegradáveis e/ou renováveis em alternativa aos plásticos tradicionais. Para o efeito foi estudada a influência da SCG e da CS nas propriedades mecânicas e físico-químicas e na processabilidade via extrusão e fabricação por filamento fundido (FFF) de formulações à base de amido termoplástico (TPS). Para comparação foi utilizado filamento à base de ácido polilático (PLA) comercialmente disponível. Na fase de prototipagem foram selecionados modelos CAD disponíveis na base de dados Thingiverse, cuja processabilidade via FFF foi confirmada utilizando filamentos à base de PLA e de poliuretano termoplástico (TPU). CS e SCG conferiram cor castanha e facilitaram os processos de extrusão sob a forma de filamento e de FFF da formulação à base de TPS. As amostras 3D à base de TPS/CS e à base de TPS/SCG apresentaram retração no comprimento e expansão na largura e na espessura, tal como verificado nos provetes 3D à base de PLA, quando comparado com as dimensões do modelo CAD original. Macroscopicamente, as amostras 3D à base de TPS/CS e à base de TPS/SCG apresentaram uma superfície lisa (base) e uma superfície rugosa (topo), à semelhança dos provetes 3D à base de PLA. Os provetes 3D retangulares à base de TPS/CS mostraram-se mais elásticos do que os provetes 3D retangulares à base de TPS/SCG, porém ambos apresentaram maior flexibilidade do que os provetes 3D retangulares à base de PLA. No que diz respeito às características mecânicas, os provetes 3D à base de TPS/CS apresentaram menor dureza de Shore A do que os provetes à base de TPS/SCG, apresentando estes últimos dureza de Shore A semelhante aos materiais 3D à base de PLA. Ambos os materiais 3D à base de TPS/CS e à base de TPS/SCG mostraram-se mais flexíveis do que os provetes 3D à base de PLA. Quanto à tolerância da superfície à água, as amostras 3D à base de TPS/CS e à base de TPS/SCG apresentaram maior carácter hidrofílico, do que os materiais 3D à base de PLA. Durante os ensaios de molhabilidade, as gotas de água depositadas na superfície foram eficazmente absorvidas pelos provetes 3D à base de TPS/CS e à base de TPS/SCG, ao contrário dos materiais 3D à base de PLA, sem comprometer a sua dimensão Do ponto de vista ativo, os provetes 3D à base de TPS/CS e à base de TPS/SCG apresentaram elevada atividade antioxidante para curtos períodos quando expostos a uma solução ABTS•⁺, ao contrário dos materiais 3D à base de PLA. Os ensaios de prototipagem via FFF indicaram a possibilidade de obter estruturas 3D à base de TPS/CS, apesar de não se ter conseguido completar a impressão 3D da tala na presente dissertação. Em suma, os subprodutos do café, CS e SCG, conferiram cor, resistência mecânica, capacidade antioxidante e processabilidade via FFF às formulações à base de TPS, potenciando a sua valorização através da utilização na produção sustentável de talas 3D ativas e customizadas à fisionomia do paciente para o setor médico.

Splints are orthopedic devices, generally made of metals in the form of elastic fabrics, silicones, coatings, kinematic or kinetic components, and plastics, the latter being the most used due to their low weight, cost and good mechanical performance. However, the non-biodegradability of the plastics used in the production of splints contributes to the increase in the ecological footprint of this sector. As an alternative, the use of biodegradable bioplastics and the production of splints through additive manufacturing technologies has been explored, which not only makes it possible to minimize production waste, but also customize the geometry of the splint to the patient's physiology and the recovering fracture. In a circular economy strategy, this dissertation studied the feasibility of using starch recovered from slurries derived from potato processing, coffee grounds (SCG) and coffee bean silver skin (CS) in the development of active bioplastic splints, that is, splints produced using bioactive, biodegradable and/or renewable raw materials as an alternative to traditional plastics. To this end, the influence of SCG and CS on mechanical and physicochemical properties and processability via extrusion and fused filament manufacturing (FFF) of thermoplastic starch (TPS)-based formulations was studied. For comparison, commercially available polylactic acid (PLA)-based filament was used. In the prototyping phase, CAD models available in the Thingiverse database were selected, whose processability via FFF was confirmed using filaments based on PLA and thermoplastic polyurethane (TPU). CS and SCG conferred brown color and facilitated the filament extrusion and FFF of the TPS-based formulation. The 3D samples based on TPS/CS and TPS/SCG showed retraction in length and expansion in width and thickness, like in the 3D samples based on PLA, when compared with the dimensions of the original CAD model. Macroscopically, the 3D samples based on TPS/CS and TPS/SCG presented a smooth surface (base) and a rough surface (top), similar to the 3D samples based on PLA. The 3D rectangular specimens based on TPS/CS were more elastic than the 3D rectangular specimens based on TPS/SCG, but both presented greater flexibility than the 3D rectangular specimens based on PLA. With regard to mechanical characteristics, the 3D specimens based on TPS/CS had a lower Shore A hardness than the specimens based on TPS/SCG, the latter having a Shore A hardness similar to the 3D materials based on PLA. Both TPS/CS-based and TPS/SCG-based 3D materials were found to be more flexible than PLA-based 3D specimens. Regarding the surface water, the 3D samples based on TPS/CS and TPS/SCG showed greater hydrophilic character than the 3D materials based on PLA. During the wettability tests, the water droplets deposited on the surface were effectively absorbed by the TPS/CS-based and TPS/SCG-based 3D specimens, unlike the PLA-based 3D materials, without compromising their size. From an active point of view, the 3D specimens based on TPS/CS and based on TPS/SCG showed high antioxidant activity for short periods when exposed to an ABTS•+ solution, unlike the 3D materials based on PLA. Prototyping tests via FFF indicated the possibility of obtaining 3D structures based on TPS/CS, although it was not possible to complete the 3D printing of a splint in the present dissertation. In short, the coffee by-products, CS and SCG, conferred color, mechanical resistance, antioxidant capacity and processability via FFF to TPS-based formulations, enhancing their valorization through the use in the sustainable production of active 3D splints customized to the physiognomy of the patient to the medical sector.